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柴油机辐射噪声预测及控制技术研究

作者:Simwe    来源:LMS    发布时间:2012-10-29    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

摘要:利用有限元法和边界元法预测CY4102BG型柴油机在高负荷工况下的振动及辐射噪声特性,确定出柴油机的高噪声区域,并针对噪声预测结果提出改进设计方案。分析了采用阻尼技术对噪声较高的油底壳部件辐射噪声的影响以及在机体和油底壳之间安装加强板结构对柴油机结构噪声的影响。研究表明,采用这两种措施对于降低柴油机辐射噪声具有良好的效果。
关键词:声学;柴油机;辐射噪声;噪声预测;噪声控制;高负荷

柴油机噪声控制技术的实践表明:由于受到制造工艺、生产成本等方面的限制,改善现有柴油机振动噪声特性的可能性是有限的,所采用降低辐射噪声的措施也是被动的。另外从根源上减小燃烧过程的压力升高率是降低柴油机噪声最根本的措施,但该措施的实施在很大程度上会影响其动力性、燃油经济性、排放等性能指标。在不影响其它性能前提下,通过改进主要噪声辐射源的结构设计,不失为一种有效措施。这就需要对结构噪声进行预测和优化。

采用数值方法预测柴油机结构辐射噪声,只根据柴油机设计图纸就可以进行噪声特性计算,求出辐射噪声分布图,进而对高噪声区域进行结构改进,以低噪声作为目标函数进行多方案优化设计。这样可大大缩短开发周期,节约成本。本文使用有限元法(ANSYS)和边界元法( SYSNO ISE)计算软件对柴油机结构辐射噪声进行数值预测,进而进行结构改进设计并验证其降噪效果。

1 柴油机组合结构有限元模型的建立

根据CY4102BG柴油机的装配情况,首先建立缸盖、机体、缸套、主轴承盖和油底壳的组合结构有限元模型。其中对安装附件用的大部分凸台及尺寸不大的螺纹孔、水孔、油孔都不予考虑。油底壳结构采用壳单元Shell63,其它结构采用实体单元Solid45来建立。其有限元模型如图1所示。

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图1 柴油机组合结构有限元模型

2 柴油机瞬态响应分析

2. 1 柴油机载荷工况计算

柴油机载荷的确定,对于振动响应分析是个关键。柴油机受力很复杂,为使理论计算可行,有必要对其受力进行简化处理。本文在力求能够反映实际的状况下,考虑柴油机稳态工作状况,以气缸燃气压力对缸套和缸盖的作用力、活塞连杆机构的运动惯性力和曲轴旋转惯性力引起的主轴承力等主要因素,确定柴油机所受的激励力。

2. 1. 1 气缸燃烧压力计算

利用GT2POWER软件模拟出气缸平均有效压力速度特性曲线,如图2所示。从图中可以看出最高平均有效压力工况出现在转速为1500 r /min。当发动机转速在1500 r /min时,此时气体爆发压力峰值为7. 5MPa,图3是1500 r /min高负荷工况下各缸压力曲线。考虑到CY4102BG型柴油机是四冲程柴油机,转速为1500 r /min时,完成一个工作循环的时间T = 0. 08 s,作用于柴油机上的载荷力近似为0.08 s内的周期力,在振动响应计算时,可只考虑一个周期时间作为振动响应历程的计算时间[ 1 ] 。

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图2 平均有效压力速度特性曲线

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图3 高负荷工况下各气缸压力曲线

2. 1. 2 主轴承载荷计算

主轴承负荷来自于气缸内气体作用力,活塞组往复惯性力和曲轴旋转惯性力引起的主轴承座上的载荷。作用在主轴承上的载荷比较复杂,其总径向力的大小和作用线方向随着曲柄转角的变化而变化。因此为施加力方便,把主轴承上的力P ( t)沿水平和垂直方向分解可得[ 2 ]

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其中, R 为曲柄半径, pg ( t)为气缸内燃烧气体的压力, D为气缸直径, mj 为沿气缸体中心线做往复运动的质量,包括活塞组件的质量以及连杆小端的代替质量, a ( t)为活塞往复运动的加速度,λ为曲柄半径R 与连杆长度L 之比。用到的计算参数:曲柄长度R为59mm,连杆长度L 为192mm,气缸直径D为102mm,活塞组的质量为1. 96kg,连杆组质量为2.24kg,点火顺序为1 - 3 - 4 - 2。

 
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